太陽能水泵

太陽能水泵（亦稱光伏水泵），是當今世界上陽光豐富地區，尤其是缺電無電的邊遠地區最具吸引力的供水方式，利用隨處可取、取之不竭的太陽能，系統全自動地日出而作，日落而歇，無需人員看管，維護工作量可降至最低，是理想的集經濟性、可靠性和環保效益為一體的綠色能源系統。

基本介紹

• 中文名：太陽能水泵
• 外文名：Solar Powered Water Pumps
• 亦稱：光伏水泵
• 能量轉換：太陽能轉變為液壓能
• 組成部件：光伏揚水逆變器和水泵
• 工作方式：通過光伏揚水逆變器工作

系統組成

光伏陣列

主要是將太陽的光能轉化為電能，給負載水泵電機提供工作電力。

光伏揚水逆變器或控制器

對太陽能水泵的運行實施控制和調節，用太陽能陣列發出的電能驅動水泵，並根據日照強度的變化，實時地調節輸出頻率,使輸出功率接近太陽電池陣列的最大功率。

馬達(驅動電機)

在不同系統中使用的驅動電機也不同。目前在小於10閱Np功率等級的光伏水泵系統中,為獲得儘可能高的系統效率,多採用直流無刷永磁電機驅動,在大型光伏水泵系統中,到目前為止仍不乏採用交流異步傳動方式者,但是由於近代控制技術的不斷發展,為了進一步提高單位峰瓦提供的揚水量,己經開始有被多台水泵實現柔性控制的多機群控技術所替代的趨勢。

水泵

對於光伏水泵系統而言,水泵類型的選擇同樣至為重要。在功率不大的系統中,若用戶要求揚程高但流量較小的情況下,宜選擇容積式正位移水泵,在其它情況下可能以採用離心式或軸流式水泵。關於光伏水泵系統配用泵型的選擇與考慮。

水塔及儲水設施

如果光伏水泵系統套用於冬季寒冷地區(如我國廣大西部地區),則宜採用防凍儲水設施,例如中間抽真空或實以絕熱材料的雙層水箱或水塔,引水管道亦應採用抗低溫材料並作防凍處理。

水泵的分類及特點

交流異步電機驅動水泵

較大功率(比如說,功率大於10KW或更大時)的光伏水泵系統中,驅動電機仍不乏採用三相交流異步電機者,其中異步電機通常採用濕式護套繞組,由於槽滿率低的結構特點,其效率通常較同等功率的直流永磁無刷電機低得多,但是其構造相對簡單,造價相對低廉,油浸電機不適於用在同時提供人畜飲水的供水系統中,因此還有一定需求。其驅動控制的核心是專用的變頻與控制一體化電源,本質上是將變頻技術與光伏陣列最大功率點跟蹤技術及若干必要的運行保護措施集合在同一個控制器中,由中央控制器完成光伏水泵系統中所需的全部控制功能,這樣做的優點是系統穩定性好,結構緊湊,電機電壓等級可按陣列配置自由最佳化選擇,製造成本低,同時可以充分考慮到光伏水泵戶外長時間無人值守、全自動運行等特點,在散熱、防塵、防雷及各種專用的保護措施(如打幹保護)等方面給予特殊考慮,較之“拼湊式”結構具有高得多的經濟性和可靠性。

直流永磁無刷電機驅動水泵

直流電動機以其機械特性好、調速範圍寬、起動轉矩大、運行效率高、控制簡單等優點在運動控制系統中得到了廣泛的套用,但是其電刷和換相器也帶來了可靠性較低、需經常維護等弱點。近20多年來,隨著大功率開關器件、模擬和數字積體電路、計算機技術、高性能磁性材料的快速發展,採用電子換相原理工作的無刷直流電動機也得到了相應快速的發展。它己從最初套用的宇航、軍事設施領域迅速擴展到工業和民用領域,使用面日益廣泛.目能小功率無刷直流電動機已大量用於計算機外圍設備、辦公室自動化和音響影視設備中,在一些電力傳動系統中,其套用也愈來愈廣泛。

若干年來無刷直流電動機開始在光伏水泵系統中被用作驅動電機間,這是由於該種電機具有一般交流電動機所不易達到的高效率,它可望在較大幅度上減少目前還相對昂貴的太陽電池的用量,具有顯著的經濟性。但是,由於光伏水泵通常要求電機潛入水中運行,因此本文的研究工作除需要解決常規的直流無刷電動機的運行驅動技術外,還要求電機能適應潛水的要求,也就是必須同時解決繞組的可靠絕緣問題。從機械密封的角度想方設法去解決潛水電機的密封問題固然是一種思路,但是甚難克服其結構複雜、相應的機械損耗偏大的問題。

無刷水泵工作原理

無刷直流太陽能水泵（電機式）

電機式無刷直流水泵是採用無刷直流電機加上葉輪之後組成的。電機的軸與葉輪連在一起。水泵的定子和轉子之間是有間隙的，使用時間長了水會滲透進入電機里增加了電機燒壞的可能。

無刷直流磁力隔離式太陽能水泵

無刷直流水泵採用了電子組件換向，無需使用碳刷換向，採用高性能耐磨陶瓷軸及陶瓷軸套，軸套通過注塑與磁鐵連成整體也就避免了磨損，因此無刷直流磁力式水泵的壽命大大增強了。磁力隔離式水泵的定子部分和轉子部分完全隔離，定子和電路板部分採用環氧樹脂灌封，100%防水，轉子部分採用永磁磁鐵，水泵機身採用環保材料，噪音低，體積小，性能穩定。可以通過定子的繞線調節各種所需的參數，可以寬電壓運行。

自身優勢

（1） 可靠：光伏電源很少用到運動部件，工作可靠。

（2） 安全，無噪聲，無其他公害。不產生任何的固體，液體和氣體有害物質，絕對的 環保。

（3） 安裝維護簡單，運行成本低，適合無人值守等優點。尤其以其可靠性高而備受關 注。

（4） 兼容性好，光伏發電可以與其他能源配合使用，也可以根據需要使光伏系統很方便的增容。

（5） 標準化程度高，可由組件串並聯滿足不同用電的需要，通用性強。

（6） 太陽能隨處都有，套用範圍廣。

但是，太陽能系統也有其缺點，比如：能量分散，間歇性大，地域性強。前期成本較高。

太陽能水泵系統的展望

目前矽太陽能電池板效率在短時期內很難有大的提升，雖然第二代薄膜太陽能電池和第三代有機質太陽能電池具在成本上有明顯優勢， 但與目前矽太陽能電池板的大規模生產相比還不具競爭力。未來一段時間內， 矽電池板仍將占據市場大量份額。因此，今後太陽能水泵系統研發方向應該集中在以下 3 個方面:

( 1) 研發高效水泵及電機， 以提高電機和水泵在大範圍轉速、流量變化下的高效區範圍及降低系統揚水閾值功率。開發低成本、高可靠性智慧型控制器以提高各組件間性能匹配、應對多變的氣候狀況， 從而提高系統動態品質和全局效率。同時提高中小型風 － 光 － 熱等能源互補利用綜合技術的開發及推廣;

( 2) 氣候、光照、水位、需水等多因素變化下太陽能水泵系統長期性能預測的通用方法及基於動態變化下系統設計方法， 建立不同地區的資料庫，以逐步取代使用靜態平均值估計的方法;

( 3) 隨著電池板價格的降低及中小型太陽能系統的發展，今後在最佳化電池板功率的基礎上應加大對系統運行可靠性的評價以提高系統長期運行可靠性和供水的穩定。